第六章机械加工表面质量精选文档.ppt

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1、第六章机械加工表面质量本讲稿第一页，共二十九页机械制造技术基础机械制造技术基础 第第6章章 机械加工表面质量机械加工表面质量Qualities of Machined Surface6.1 概述概述Introduction to the Qualities of Machined Surface本讲稿第二页，共二十九页6.1 概述概述 尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量图6-1-0 加工质量包含的内容本讲稿第三

2、页，共二十九页6.1 概述概述 加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。表面质量:零件宏观几何形状误差、波度、表面粗糙度宏观几何形状误差（平面度、圆度等）宏观几何形状误差（平面度、圆度等）波长波长/波高波高10001000波度波度 波长波长/波高波高=50=5010001000；且具有周期特性；且具有周期特性表面粗糙度表面粗糙度 波长波长/波高波高5050 a）波度 b）表面粗糙度 图6-2-0 零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ本讲稿第四页，共二十九页6.1概述概述-表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响 对耐磨性影响Ra（m）初始磨损量重载荷轻载荷图6-

3、1 表面粗糙度与初始磨损量表面粗糙度值 耐疲劳性适当硬化可提高耐疲劳性表面粗糙度值耐蚀性表面压应力：有利于提高耐蚀性表面粗糙度值 配合质量表面粗糙度值耐磨性，但有一定限度（图6-1）对耐疲劳性影响对耐蚀性影响对配合质量影响纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好适当硬化可提高耐磨性本讲稿第五页，共二十九页机械制造技术基础机械制造技术基础 第第6章章 机械加工表面质量机械加工表面质量6.2 影响加工表面粗糙度影响加工表面粗糙度的工艺因素的工艺因素Technological Factors Influencing Roughness本讲稿第六页，共二十九页6.2.1 切削加工表面粗糙度影响因素切削加工表

4、面粗糙度影响因素 图6-5 车削时残留面积的高度直线刃车刀（图直线刃车刀（图6-5a6-5a）圆弧刃车刀（图圆弧刃车刀（图6-5b6-5b）影响因素：影响因素：frRmaxvfrb）Rmaxfa）vf切削残留面积本讲稿第七页，共二十九页 切切削削速速度度影影响响最最大大：v vc c =101050m/min50m/min范范围围，易易产产生生积积屑屑瘤瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图和鳞刺，表面粗糙度最差（图6-6-06-6-0）。其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等图6-6-0 切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120vc c（m/m

5、in）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m）0200400600hKsRz6.2.1 切削加工表面粗糙度影响因素切削加工表面粗糙度影响因素 切削表面塑性变形和积屑瘤本讲稿第八页，共二十九页v 砂轮速度v，Rav 工件速度vw，Ra v 砂轮纵向进给f，Ra v 磨削深度ap，Ra 图6-7-1 磨削用量对表面粗糙度的影响vw=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v=50(m/s)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(m)030405

6、0600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b）6.2.2 磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素 磨削用量影响 图6-7-0 光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)v光磨次数，Ra本讲稿第九页，共二十九页v 砂轮粒度号，Ra；但要适量v 砂轮硬度适中，Ra；常取中软v 砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织v 采用超硬砂轮材料，Ra v 砂轮精细修整，Ra 6.2.2 磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素 砂轮影

7、响其他影响因素v 工件材料v 冷却润滑液等本讲稿第十页，共二十九页机械制造技术基础机械制造技术基础 第第6章章 机械加工表面质量机械加工表面质量6.3 机械加工后表面物理机械机械加工后表面物理机械性能的变化性能的变化Physical and Mechanical Properties Physical and Mechanical Properties of Machined Surface Layerof Machined Surface Layer本讲稿第十一页，共二十九页6.3.1 影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素 切削加工切削加工 f f，冷硬程度，冷硬程度(图图6-13-

8、0)6-13-0)切削用量影响 刀具影响 r r ，冷硬程度，冷硬程度 其他几何参数影响不明显其他几何参数影响不明显 后后刀刀面面磨磨损损影影响响显显著著（图图6-14-06-14-0）00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f =0.120.2(mm/z)图6-14-0 后刀面磨损对冷硬影响 工件材料 材料塑性材料塑性，冷硬倾向，冷硬倾向 切切削削速速度度影影响响复复杂杂（力力与与热综合作用结果）热综合作用结果）切削深度影响不大切削深度影响不大图6-13-0 f 和 v 对冷硬的影响硬度(HV)0f(mm/r)0.

9、20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：45本讲稿第十二页，共二十九页磨削速度磨削速度冷硬程度冷硬程度（弱化作用加强）（弱化作用加强）工件转速工件转速冷硬程度冷硬程度 纵向进给量影响复杂纵向进给量影响复杂磨削深度磨削深度冷硬程度冷硬程度（图（图6-15-06-15-0）磨削用量 砂轮 砂轮粒度砂轮粒度冷硬程度冷硬程度 砂轮硬度、组织影响不显著砂轮硬度、组织影响不显著工件材料 材料塑性材料塑性 冷硬倾向冷硬倾向 材料导热性材料导热性 冷硬倾向冷硬倾向 图6-15-0 磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬

10、度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削6.3.1 影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素 磨削加工本讲稿第十三页，共二十九页6.3.2 磨削烧伤与磨削裂纹磨削烧伤与磨削裂纹 合理选择砂轮合理选择砂轮 合理选择磨削用量合理选择磨削用量 改善冷却条件改善冷却条件工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜磨削烧伤磨削烧伤磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现 图6-16 带空气挡板冷却喷嘴磨削烧伤与磨削裂纹

11、的控制磨削裂纹本讲稿第十四页，共二十九页6.3.3 影响层金属残余应力的因素影响层金属残余应力的因素 v vc残余应力残余应力（热应力起主（热应力起主导作用，图导作用，图6-16-06-16-0）材料塑性材料塑性残余应力残余应力 铸铸铁铁等等脆脆性性材材料料易易产产生生残残余压应力余压应力 f f残残余余应应力力（图图6-17-6-17-0 0）切削深度影响不显著切削深度影响不显著仅讨论切削加工 切削用量 刀具 工件材料前角前角+，残余拉应力，残余拉应力 刀具磨损刀具磨损残余应力残余应力 图6-16-0 vc 对残余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削条件：ap=

12、0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc=213m/minvc=86m/minvc=7.7m/min图6-16-0 f 对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 残余应力(Gpa)0.2000.200100200300400距离表面深度(m)f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r本讲稿第十五页，共二十九页机械制造技术基础机械制造技术基础 第第6章章 机械加工表面质量机械加工表面质量6.4 控制加工表面质量的途径控制加工表面质量的途径

13、Technical Approach for Controlling Technical Approach for Controlling Machined Surface LayerMachined Surface Layer本讲稿第十六页，共二十九页6.4 控制加工表面质量的途径控制加工表面质量的途径控制磨削参数控制磨削参数采用超精加工、珩磨等光整加工方法作采用超精加工、珩磨等光整加工方法作为最终加工工序为最终加工工序采用喷丸、滚压、辗光等表面强化工艺采用喷丸、滚压、辗光等表面强化工艺本讲稿第十七页，共二十九页6.4 控制加工表面质量的途径控制加工表面质量的途径 利利用用淬淬硬硬和和精精细

14、细研研磨磨过过的的滚滚轮轮或或滚滚珠珠，在在常常温温状状态态挤挤压压金金属属表表面面，将将凸凸起起部部分分下下压压下下，凹凹下下部部分分上上凸凸，修修正正工工件件表表面面的的微微观观几几何何形形状状，形形成成压压缩缩残残余余应应力力，提提高耐疲劳强度（图高耐疲劳强度（图6-19-06-19-0）利利用用大大量量快快速速运运动动珠珠丸丸打打击击工工件件表表面面,使使工工件件表表面面产产生生冷冷硬硬层层和和压压应应力力,疲疲劳强度（图劳强度（图6-18-06-18-0）喷丸强化图6-19-0 滚压加工原理图 用用于于强强化化形形状状复复杂杂或或不不宜宜用用其其它它方方法法强强化化的的工工件件,例例

15、如如板板弹弹簧簧、螺螺旋弹簧、齿轮、焊缝等旋弹簧、齿轮、焊缝等滚压加工图6-18-0 珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域本讲稿第十八页，共二十九页机械制造技术基础机械制造技术基础 第第6章章 机械加工表面质量机械加工表面质量6.5 振动对表面质量的影响振动对表面质量的影响及其控制及其控制Vibrations in Machining Process本讲稿第十九页，共二十九页6.5.1 机械加工过程中的振动概述机械加工过程中的振动概述 机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害v 影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度v 影响生产效率 v 加速刀具磨损，易引起崩刃v 影响机床

16、、夹具的使用寿命v 产生噪声污染，危害操作者健康v 工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。v 由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动强迫振动自激振动本讲稿第二十页，共二十九页6.5.2 机械加工过程中强迫振动机械加工过程中强迫振动强迫振动产生原因v 由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起v 强迫振动振源：机外机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内：1）回转零部件质量的不平衡 2）机床传动件的制造误差和缺陷 3）切削过程中的冲击v 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍

17、数v 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振v 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。强迫振动的特征本讲稿第二十一页，共二十九页6.5.3 机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动自激振动的概念自激振动的概念 在在没没有有周周期期性性外外力力作作用用下下，由由系系统统内内部部激激发发反反馈馈产产生生的的周周期性振动期性振动 自自激激振振动动过过程程可可用用传传递递函函数数概念说明（图概念说明（图6-236-23）自激振动是一种不衰减振动自激振动是一种不衰减振动 自自激激振振动

18、动的的频频率率等等于于或或接接近近于于系统的固有频率系统的固有频率 自自激激振振动动能能否否产产生生及及振振幅幅的的大大小小取取决决于于振振动动系系统统在在每每一一个个周周期期内内获获得得和和消消耗耗的的能能量量对对比比情情况况（图图6-6-2424）。）。图6-24 自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图6-23 自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）自激振动的特征本讲稿第二十二页，共二十九页再再生生机机理理：切削过程由于偶然干扰，使加工系统产生振动并在加工表面上留下振纹。第二次走刀时,刀具将在有振纹的表面上切

19、削，使切削厚度发生变化，导致切削力周期性地变化，产生自激振动 自激振动机理自激振动机理图6-24-0 再生自激振动原理图f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0y 产生条件（图产生条件（图6-24-06-24-0）：a）b）c）系统无能量获得；d）y 滞后于y0，即 0-，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动6.5.3 机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动本讲稿第二十三页，共二十九页 振振型型耦耦合合机机理理：将车床刀架简化为两自由度振动系统，等效质量m用相

20、互垂直的等效刚度分别为k1与k2两组弹簧支撑（设x1为低刚度主轴，图6-24-1）图6-24-1 车床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2k2k112X 自激振动的产生：自激振动的产生：k1=k2，x1与x2无相位差,轨迹为直线，无能量输入6.5.3 机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动 k1k2，x1超前x2，轨迹dcba为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入 k1k2，x1滞后于x2，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：abcd。此时，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小，有能量获得，振动能够维持。本讲稿第二十四页，共二十九页6.5.4 机械

21、加工中振动的防治机械加工中振动的防治 减小机内干扰力的幅值减小机内干扰力的幅值 调整振源的频率，一般要求：调整振源的频率，一般要求：调整振动系统小刚度主轴的位置（图6-25-0）消除或减弱产生强迫振动的条件式中 f 和 fn 分别为振源频率和系统固有频率 隔振隔振x2x2x1x1x1x1x2x2图6-25-0 两种尾座结构消除或减弱产生自激振动的条件本讲稿第二十五页，共二十九页6.5.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治 减小切削或磨削时的重叠系数（图6-26-0）式中 bd 等效切削宽度，即本次切削实际切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度；b 本次切削在垂直于振动方向上的切

22、削宽度；B,fa 砂轮宽度与轴向进给量。图6-26-0 重叠系数apfaB振动方向XDfbbda）切削b）磨削rr，本讲稿第二十六页，共二十九页v 减小重叠系数方法图6-27-0 车刀消振棱0.10.3-5-202 3 增加切削阻尼（例采用倒棱车刀，图6-27-0）增加主偏角增加主偏角 增大进给量增大进给量4.9.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治本讲稿第二十七页，共二十九页 提高工艺系统刚度 增大工艺系统阻尼 改善工艺系统动态特性6.5.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治阻尼材料铸铁环铸铁套筒图6-28-0 零件上加阻尼材料本讲稿第二十八页，共二十九页图6-29-0 摩擦式减振器1飞轮 2摩擦盘 3摩擦垫 4螺母 5弹簧v动力减振器 v摩擦式减振器（图6-29-0）v冲击式减振器（图6-30-0）6.5.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治采用减振装置图6-30-0 冲击式减振镗刀与减振镗杆1冲击块 2紧定螺钉a）减振镗刀 b）减振镗杆本讲稿第二十九页，共二十九页